Существует неудобная, раздражающая проблема с нашим пониманием законов природы, которую физики пытались объяснить на протяжении десятилетий. Речь идет об электромагнетизме, законе взаимодействия атомов и света, который объясняет все - от того, почему вы не проваливаетесь сквозь пол, до того, почему небо голубое.

Наша теория электромагнетизма, возможно, является лучшей физической теорией, когда—либо созданной людьми, но в ней нет ответа на вопрос, почему электромагнетизм так силен, как он есть. Только эксперименты могут сказать вам о силе электромагнетизма, которая измеряется числом, называемым α (оно же альфа, или постоянная тонкой структуры).

Американский физик Ричард Фейнман, который помог разработать теорию, назвал это "одной из величайших загадок физики" и призвал физиков "повесить это число у себя на стене и беспокоиться об этом".

В исследовании, только что опубликованном в журнале Science, мы решили проверить, одинакова ли величина α в разных местах нашей галактики, изучая звезды, которые являются почти идентичными близнецами нашего солнца. Если α отличается в разных местах, это может помочь нам найти окончательную теорию не только электромагнетизма, но и всех законов природы вместе взятых — "теорию всего".

Мы хотим опровергнуть нашу любимую теорию

Физики действительно хотят одного: ситуации, в которой наше нынешнее понимание физики рушится. Новая физика. Сигнал, который не может быть объяснен современными теориями. Вывеска для теории всего.

Чтобы найти его, они могли бы ждать глубоко под землей в золотой шахте, пока частицы темной материи столкнутся со специальным кристаллом. Или они могли бы годами тщательно ухаживать за лучшими в мире атомными часами, чтобы посмотреть, показывают ли они немного другое время. Или столкнуть протоны вместе со скоростью (почти) света в 27-километровом кольце Большого адронного коллайдера.

Беда в том, что трудно понять, где искать. Наши нынешние теории не могут направлять нас.

Конечно, мы ищем в лабораториях на Земле, где легче всего провести тщательный и наиболее точный поиск. Но это немного похоже на то, как пьяный ищет свои потерянные ключи только под фонарным столбом, когда на самом деле он мог потерять их на другой стороне дороги, где-нибудь в темном углу.

Звезды ужасны, но иногда ужасно похожи

Мы решили заглянуть за пределы Земли, за пределы нашей солнечной системы, чтобы посмотреть, производят ли звезды, которые являются почти идентичными близнецами нашего Солнца, такую же радугу цветов. Атомы в атмосферах звезд поглощают часть света, пробивающегося наружу из ядерных печей в их ядрах.

Поглощаются только определенные цвета, оставляя темные линии в радуге. Эти поглощенные цвета определяются α — поэтому очень тщательное измерение темных линий также позволяет нам измерить α.

Проблема в том, что атмосферы звезд движутся — кипят, вращаются, зацикливаются, отрыгивают — и это смещает границы. Сдвиги портят любое сравнение с теми же линиями в лабораториях на Земле и, следовательно, любую возможность измерения α. Звезды, похоже, - ужасное место для проверки электромагнетизма.

Но мы задавались вопросом: если вы найдете звезды, которые очень похожи — близнецы друг друга, — возможно, их темные, поглощенные цвета тоже похожи. Поэтому вместо того, чтобы сравнивать звезды с лабораториями на Земле, мы сравнили близнецов нашего солнца друг с другом.

Новый тест с солнечными близнецами

Наша команда студентов, докторантов и старших исследователей из Технологического университета Суинберна и Университета Нового Южного Уэльса измерила расстояние между парами линий поглощения на нашем солнце и 16 "солнечными близнецами" — звездами, почти неотличимыми от нашего солнца.

Радуги от этих звезд наблюдались на 3,6-метровом телескопе Европейской Южной обсерватории (ESO) в Чили. Хотя это и не самый большой телескоп в мире, свет, который он собирает, поступает, вероятно, в самый управляемый и понятный спектрограф: HARPS. Это разделяет свет на его цвета, раскрывая детальный узор темных линий.

HARPS проводит большую часть своего времени, наблюдая за солнцеподобными звездами в поисках планет. Удобно, что это обеспечило сокровищницу именно тех данных, которые нам были нужны.

Из этих изысканных спектров мы показали, что α было одинаковым у 17 солнечных близнецов с поразительной точностью: всего 50 частей на миллиард. Это все равно что сравнивать свой рост с окружностью Земли. Это самый точный астрономический тест α, когда-либо выполненный.

К сожалению, наши новые измерения не опровергли нашу любимую теорию. Но все звезды, которые мы изучали, находятся относительно близко, всего в 160 световых годах от нас.

Что дальше?

Недавно мы обнаружили новых солнечных близнецов гораздо дальше, примерно на полпути к центру нашей галактики Млечный Путь.

В этом регионе должна быть гораздо более высокая концентрация темной материи — неуловимого вещества, которое, по мнению астрономов, скрывается по всей галактике и за ее пределами. Как и α, мы очень мало знаем о темной материи, и некоторые физики-теоретики предполагают, что внутренние части нашей галактики могут быть просто темным уголком, в котором нам следует искать связи между этими двумя "чертовыми загадками физики".

Если мы сможем наблюдать эти гораздо более далекие солнца с помощью самых больших оптических телескопов, возможно, мы найдем ключи к Вселенной.